基于組合式拓撲的三相逆變電路設計與仿真

孫國文，趙徐成，劉章龍

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

基于組合式拓撲的三相逆變電路設計與仿真

孫國文，趙徐成，劉章龍

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

針對三相負載不平衡的波形畸變和輸出電壓不對稱等問題，應用三相組合式逆變拓撲原理進行了逆變電路設計，滿足了不平衡負載對逆變器的要求，提升了逆變電路的可靠性。通過仿真驗證，證明了電路設計的合理性和有效性。關鍵詞：組合式拓撲；三相逆變電路；仿真

三相負載不平衡和負載突變可能導致逆變器輸出波形畸變、輸出電壓不對稱和諧波含量增加，并且導致三相逆變電路的不平衡運行，從而降低可靠性。而對于負載而言，三相不平衡可能會造成三相負載中電磁元件過熱，單相負載某幾個設備工作于過壓或欠壓狀態，從而影響設備正常工作，甚至損壞設備。針對這些問題，本文采用三相組合式逆變拓撲原理進行了電路設計與仿真，使逆變器具有了更好的穩態、動態性能和極強的帶三相不平衡負載的能力[1，2]。

1 三相組合式逆變拓撲原理

三相組合式逆變拓撲是將三個帶有隔離變壓器的單相逆變器組合在一起，使其輸出電壓相位互差120°，輸入端共用直流母線，輸出端共用地線，構成三相四線制逆變結構[3]，如圖1所示。采用電壓電流雙閉環控制與重復控制相結合的復合控制策略進行逆變器的控制[4]，如圖2所示。

圖1 三相組合式逆變拓撲

圖2 逆變器復合控制方案框圖

2 逆變控制器設計

對逆變器控制系統設計主要包括電壓電流雙閉環控制器和加入重復控制的控制器兩部分設計，由于組合式三相逆變器中三個獨立單相的電氣參數一致，因此在進行控制器設計中均以逆變輸出相進行說明。

（1）雙閉環控制器設計

雙閉環控制器設計主要包括電流內環控制器和電壓外環控制器兩部分，其中電流內環控制器可以使逆變器能夠快速跟蹤實際輸出電流，實現系統的快速響應；電壓外環控制器能維持輸出電壓穩定，為電流內環反饋給定輸入電流參考值[5]。三相靜止標系下逆變器A相輸出雙閉環控制系統等效框圖如圖3所示。

圖3 逆變器A相雙閉環控制系統等效框圖

其中：G1（s）為電壓調節器；G2（s）為電流調節器；r為等效電阻；C為交流濾波電容；L為交流濾波電感；α為電流前反饋系數。圖3控制系統中電壓調節器G1（s）采用PI調節，電流調節器G2（s）采用P調節。

（2）加入重復控制的控制器設計

在圖3逆變器A相輸出雙閉環控制系統基礎上加入重復控制器，得到控制系統的等效框圖如圖4所示。圖4中控制系統前端中重復控制器的系統框圖如圖5所示。

圖4 重復控制系統等效框圖

圖5 逆變器控制系統前端重復控制器系統框圖

3 逆變控制系統仿真驗證

根據上節中的逆變電路的控制策略，在環境下進行系統的仿真驗證，系統仿真結構模型如圖6所示。

圖6 逆變器仿真模型

下面是系統在不同狀態下的仿真波形及相關分析。首先對穩定狀態下逆變器的工作特性及帶載能力進行仿真驗證。

圖7為逆變器空載穩態時三相輸出電壓仿真波形，可以看出逆變器三相輸出電壓穩定。圖8為逆變器滿載穩態時三相輸出電壓電流仿真波形，可以看出逆變器能保持良好的波形質量。

圖7 逆變器空載穩態電壓波形

圖8 逆變器滿載穩態輸出波形

圖9 為逆變器接不平衡負載（相滿載，相空載）時穩態輸出電壓仿真波形，從仿真波形可以看出逆變器對三相不平衡負載引起的波形畸變有良好的調節作用，輸出對稱穩定的為三相正弦電壓。

圖10 逆變器輸出電壓及A相電流變化圖

保持B、C兩相空載不變，在A相電壓峰值處突加負載為滿載（容量40 kW），如圖10所示。可知，負載波動時，逆變器控制系統可以根據負載變化進行調節，使輸出電壓和電流快速進入穩定狀態。

圖9 逆變器接不平衡負載三相電壓輸出波形圖

4 結束語

綜合對組合式三相逆變系統仿真波形的分析可知，組合式三相逆變器具有良好的穩態、動態性能和極強的帶三相不平衡負載的能力，滿足了不平衡負載對逆變器的要求。

[1]鄭志曜，孫欽斐，王江波，等.組合式三相逆變器同步控制方法[J]．農業工程學報，2015，31（5）：146-151.

[2]劉春喜，任慶吉，陳鵬榮，等.大容量中頻逆變器的非線性與不平衡補償技術[J]．電力電子技術，2014，48（12）：63-66.

[3]李彥斌，張安堂，馮丹.電力系統組合式三相逆變器電壓穩定性研究[J]．計算機仿真，2015，32（11）：156-160.

[4]曹太強，祁強，王軍.三相逆變電源不平衡負載控制方法研究[J].電機與控制學報，2012，16（4）：50-55.

[5]周潔，羅安，陳燕東，等.低壓微電網多逆變器并聯下的電壓不平衡補償方法[J]．電網技術，2014，38（2）：412-418.

Design and Simulation of Three-phase Inverter Circuit Based on Combined Topology

SUN Guo-wen，ZHAO Xu-cheng，LIU Zhang-long
（Air Force Service Station，Xuzhou Four，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

In order to solve the problem of asymmetric waveform distortion and output voltage asymmetry，the three-phase combined inverter topology principle is used to design the inverter circuit to meet the requirements of the unbalanced load on the inverter.The simulation results show that the circuit design is reasonable and effective. Key words：modular topology；three-phase inverter circuit；simulation

TM133

A

1672-545X（2017）06-0194-03

2017-03-26

孫國文（1993-），男，四川威遠人，在讀研究生，研究方向：航空四站保障技術與信息化。